朱悅倩， 楊 菁， 姚 昊

(南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院心血管中心， 江蘇 南京 210011)

心臟外科的發(fā)展依賴于體外循環(huán)技術(shù)(Cardiopulmonary bypass，CPB)的發(fā)展。而CPB過程打破了人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，引起神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)失調(diào)，進而產(chǎn)生全身炎癥反應，是術(shù)后并發(fā)癥的主要因素。CPB產(chǎn)生炎癥反應的病理生理機制有多種因素構(gòu)成。一般認為分為兩個主要階段。第一階段是血液與非內(nèi)皮表面接觸，造成細胞破壞，引起細胞釋放生物活性物質(zhì)，如細胞因子、補體等，激活內(nèi)源性、外源性凝血途徑，從而激活纖溶系統(tǒng)，引起炎癥反應，消耗血液成分。第二階段主要是由手術(shù)方式造成機體的體溫波動、血液制品輸注、血液稀釋和破壞等，引起機體的缺血再灌注損傷和內(nèi)毒素血癥。當然，除了主要的白細胞活化的機制，線粒體DNA的升高也是CPB炎癥產(chǎn)生的重要因素。

從血液開始接觸非血管材料開始，補體活化途徑開始啟動，隨后開始出現(xiàn)白細胞活化，內(nèi)皮細胞炎癥破壞等過程。血小板活化的誘因主要是肝素、與非生物性材料接觸和低溫?；罨难“遽尫蓬w粒因子(血小板因子4、β-血小板球蛋白、血栓素B)，失去了正常的凝血功能，引起術(shù)后凝血功能障礙。由于管道設備等表面缺少內(nèi)皮細胞，因此C3介導的經(jīng)典途徑激活，繼而產(chǎn)生C3a、C5a等片段，導致血管通透性增加，白細胞活化等。正常生理情況下，細胞因子是免疫系統(tǒng)和防御機制的重要調(diào)節(jié)者，但在體外循環(huán)過程中，它們增加了炎癥反應的嚴重程度。巨噬細胞和白細胞釋放促炎因子，包括腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白介素6(IL-6)、IL-1、IL-2和IL-8。體外循環(huán)后的患者血液中存在內(nèi)毒素，主要來源于外源性和內(nèi)源性革蘭氏陰性菌。內(nèi)毒素、促炎因子和TNF-α可以激活誘導型一氧化氮酶(iNOS)，釋放大量自由基一氧化氮(NO)。一氧化氮酶(NOS)包括三種形式:神經(jīng)元型、內(nèi)皮細胞型和誘導型[1]。神經(jīng)元型NOS主要使NO作為神經(jīng)元間的信號分子；內(nèi)皮細胞型NOS存在于血管內(nèi)，產(chǎn)生NO引起血管擴張；誘導型NOS見于免疫細胞中，與血管通透性增加和血小板聚集減少有關(guān)。IL-6和NO的出現(xiàn)可能誘導心肌頓抑。炎性介質(zhì)如TNF-α可誘導以DNA斷裂為特征的細胞凋亡。目前認為保持促炎和抗炎因子(IL-10)之間的平衡對控制全身癥反應的嚴重程度有重要作用。

為了改善患者預后，減少CPB期間的炎癥反應是大家主要研究的重點。研究結(jié)果主要集中在藥物、技術(shù)等方面，右美托咪定通過激活中樞α2受體，降低交感活性，下調(diào)應激血糖，從而減少炎癥反應[2]；烏司他丁作為一種廣譜胰蛋白酶抑制劑，能穩(wěn)定溶酶體膜，減少溶酶體濃度[3]；瑞芬太尼降低體內(nèi)血管性假血友病因子和可溶性血栓調(diào)節(jié)素水平，減少炎癥因子表達，保護血管內(nèi)皮細胞[4]。其實在血管內(nèi)皮細胞表面存在內(nèi)皮細胞多糖蛋白復合物層(EGL)，這是一種一層帶有負電荷的類似凝膠的覆被，由糖蛋白、蛋白多糖和糖胺聚糖組成，避免了內(nèi)皮細胞與血細胞的直接接觸。而CPB中的微栓通過損傷EGL造成毛細血管壁損害，甚至引起血腦屏障紊亂。以CD133+或其分化細胞為基礎的治療對CPB術(shù)后急性腎功能損傷有一定作用[5]，其中CD133+細胞具有促進血管生成，介導組織再生和調(diào)節(jié)炎癥等功能。動物模型表明，CPB回路中血-氣平面也是引起血細胞活化，產(chǎn)生大量炎癥因子的原因，因此，提示要減少血-氣平面積。在CPB耗材方面，也不斷進行改進創(chuàng)造，越來越多的材料和設備運用于CPB中以減少炎癥反應。

1 體外循環(huán)管道

CPB中血液與非生物性材料接觸是引起炎性反應的主要原因之一。因此，提高管道材料的生物相容性能很大程度地降低血液的機械破壞。生物相容性最高的為血管內(nèi)皮細胞，微血管內(nèi)皮細胞表面存在肝素樣分子受體。目前常用的CPB管道均為肝素涂層管道，在血液通過管道時，能形成血液相容的淺層，減少血細胞、血漿蛋白等與管道的接觸，減輕炎癥反應的發(fā)生。肝素管道表面肝素分子的結(jié)合方式主要有離子型、共價型和物理結(jié)合三種，在長期使用時，尤其是離子型結(jié)合方式，肝素涂層會洗脫進入血液，具有一定危險性。此外，肝素對凝血系統(tǒng)的影響較大，引起出血和肝素相關(guān)性血小板減少，因此人們開始尋找新材料。

聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯(PMEA)是一種在發(fā)展中的人工膜涂層材料。它是一種多聚體鏈，分子外側(cè)無生物活性，保留了蛋白質(zhì)分子周圍的水化結(jié)構(gòu)，很難與血液成分相互作用，是目前抗凝血材料的熱點，改善人工器官的生物相容性。聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯涂層的體外循環(huán)管道與肝素涂層相比，在長時間的體外循環(huán)過程中可減少血小板輸注。PMEA涂層CPB可以改善心臟手術(shù)后的呼吸功能，減少全身炎癥反應，說明PMEA為一種不輸于肝素涂層的材料。目前新的材料很多，如Phisio(磷酰膽堿)涂層、Bioline-涂層(白蛋白-肝素)、Softline-涂層(無肝素，合成聚合物)，在術(shù)后炎癥和患者住院和隨訪結(jié)果方面均無太大區(qū)別。新的Senko E-ternal涂層(SEC)也是一種具有良好生物相容性的新型材料，通過測定PF4(由活化血小板α顆粒釋放的細胞因子)來反映血小板的活化和損傷情況。氧化石墨烯(GO)涂層負載肝素可顯著降低血小板粘附，延長活化部分凝血活酶時間(APTT)，而不影響內(nèi)皮細胞粘附和增殖。新型涂層材料的能改善術(shù)后凝血指標，能緩解CPB術(shù)中凝血功能紊亂的問題。

2 氧合器

氧合器經(jīng)歷了垂屏式、轉(zhuǎn)碟式、鼓泡式、膜式四個發(fā)展階段。目前主要使用的氧合器有兩種，一種是鼓泡式氧合器，另一種是膜式氧合器。鼓泡式氧合器是通過氣血直接接觸來完成血液的氧合。氧合相同數(shù)量的血液需要的氧流量越小，那么對血液的破壞越小，氧合器越好。鼓泡式氧合器主要采用10～15μm的微孔發(fā)泡板，血液與氧氣的流量比大約在1∶0.6。由于空氣中的氮氣不溶于血，因此為了避免氧分壓過高，需要適量混合二氧化碳。氧合后的血液通過祛泡板回到人體。鼓泡式氧合器的弊端主要在于發(fā)泡和祛泡過程中血液的破壞，造成大量溶血，時間越長，血液破壞越嚴重。同時可能出現(xiàn)祛泡不完全，造成氣體栓塞的風險大大增高。

膜式氧合器成為目前市場的主流。膜式氧合器是模仿生物肺泡氣體交換原理，氣血不接觸，對血液進行氧合?，F(xiàn)在主要使用的材料是聚丙烯中空纖維膜，氧合器內(nèi)是外走血，內(nèi)走氣，內(nèi)部的中空纖維交叉排列，血液流向與纖維交叉，使血流分布均勻，減少了血流的剪切力，增大氧合效率，同時血液破壞大大減少。氧合器的血流分布和剪切力取決于血流、氧合器的壓降、血液的粘滯度和氧合器的體積。當氧合器確定時，影響因素取決于血流速度和壓降，因此，血流速度增加，剪切力增大，血-膜接觸時間變短，氧合效率降低。人們通常認為氧合器中的血流分布和剪切力會影響溶血，然而在現(xiàn)代氧合器中，兩者并無太大的關(guān)系，血流方向能切向過濾空氣。雖然膜式氧合器仍不可避免地會造成炎癥反應，但與鼓泡式氧合器相比，能減輕對中心粒細胞凋亡的抑制，同時中空纖維能深度過濾空氣栓子。氧合器膜束是CPB回路中最大的氣體微栓過濾器，纖維膜外側(cè)的血液壓力大致在100～300mmHg，而在纖維膜內(nèi)的壓力為0～15mmHg，因此過濾氣體微栓主要靠壓力差。隨著認識的加深，人們意識到血液與空氣和非內(nèi)皮組織的長時間接觸會加重炎癥反應，因此提倡避免直接將術(shù)野中回吸的血液回輸?shù)窖h(huán)中，雖然研究中患者最終結(jié)果無明顯差異，但實驗證明減少了炎癥因子的釋放[6]。

3 微栓過濾器

主要引起CPB后認知功能障礙、溶血、全身炎癥和凝血變化的原因包括氣體微栓(GME)。動脈微栓過濾器主要使用40μm的聚酯濾網(wǎng)材料，在CPB中用于濾除GME，避免進入人體。纖維材料、纖維口徑、膜厚和織造方式對GME捕獲有很大影響，因此不同廠家不同型號的氧合器和過濾器的效果不同，同時，額外使用動脈過濾器能顯著減少GME的數(shù)量。然而，在巴西等地，動脈微栓過濾器并不是常規(guī)使用的設備。動脈濾器的孔徑?jīng)Q定了能濾過GME的大小，通過比較，孔徑為20μm與孔徑為25μm所濾過的GME并無太大區(qū)別[7]。理論上孔徑越小，過濾的GME越多，然而人們不愿意使用20μm孔徑的動脈濾器的原因主要是因為血細胞的最大直徑在17～18μm之間，與20μm的孔徑相似，更易損傷細胞。創(chuàng)新性CPB理念為“表面涂層”、“血液過濾”和“微型化”，因此目前集成過濾器的肝素涂層氧合器為一個新的方向，主要為了減少預充量和管道面積。過濾器的濾網(wǎng)大多是用尼龍、滌綸等材料制成，與血流的剪切力很快會產(chǎn)生血液破壞，啟動炎癥反應，凝血功能異常，濾網(wǎng)堵塞等問題。過濾器的表面涂層也是研究重點，從肝素涂層到海藻酸鈉涂層，生物相容性不斷提高。為了更有效地較少GME，除了使用過濾器，Condello等[8]根據(jù)Fibonacci黃金比率設計管路，較傳統(tǒng)管路提供了優(yōu)越的術(shù)中流體動力學，減少了GME的產(chǎn)生，改善了GME的消除，并改善了術(shù)中代謝。

4 超濾器

CPB中的超濾技術(shù)是通過半透膜去除多余的水分和可溶性小分子物質(zhì)。中空纖維和半透膜的作用下，產(chǎn)生超濾濃縮作用，在對流過程中，血漿中的水和低分子物質(zhì)通過一端從血液中去除。CPB中超濾作為一種降低血容量、提高紅細胞壓積和穩(wěn)定纖溶系統(tǒng)的血液濃縮技術(shù)已被廣泛接受。超濾方式分為三種:常規(guī)超濾、改良超濾、零平衡超濾。由于嬰幼兒的血容量小，傳統(tǒng)超濾方法經(jīng)常出現(xiàn)容量不足的問題，因此提出改良超濾法，主要用于CPB后濃縮血液，同時濾過一些炎癥因子，理論上成人患者也能從改良超濾法中獲益，循環(huán)炎癥介質(zhì)的顯著減少，減少失血和輸血的需求。既往研究的結(jié)果顯示[9]，在成人CPB中改良超濾法的影響尚不清楚，但改良超濾在成人CPB中越來越受歡迎。零平衡超濾技術(shù)主要用于維持血液濃度的同時，通過濾過作用減少炎癥因子。然而在系統(tǒng)評價中，零平衡超濾總的療效并不顯著，僅縮短了患者的機械通氣時間。CPB過程對肺的損傷主要在兩個方面，一是血液稀釋導致的血清蛋白濃度和膠體滲透壓降低，導致肺間質(zhì)水腫；二是停循環(huán)后的氧自由基引起的再灌注損傷[10]，因此猜測使用超濾技術(shù)能否濾過炎癥因子，改善術(shù)后肺功能，結(jié)果顯示并無太大差距。但在另一項研究表明，在嬰兒CPB中使用零平衡超濾能改善患兒術(shù)后呼吸功能，降低降鈣素原等效應[11]。

5 白細胞濾過器

白細胞過濾器主要用于血液回收后預防輸血相關(guān)并發(fā)癥，減少血小板輸注。CPB過程中通過活化白細胞，尤其是中性粒細胞，引發(fā)全身炎癥反應。最初，炎癥細胞因子刺激內(nèi)皮細胞粘附分子的合成，中性粒細胞與內(nèi)皮細胞緊密接觸。在這一初始階段，中性粒細胞通過細胞粘附分子CD11b/CD18與內(nèi)皮細胞表達的細胞間粘附分子-1相互作用，附著在內(nèi)皮細胞上，產(chǎn)生趨化因子和細胞毒素，就會發(fā)生中性粒細胞的遷移。當中性粒細胞到達目標部位時，它們向新再灌注的組織釋放細胞毒性物質(zhì)和酶，破壞內(nèi)皮。白細胞活化導致IL-6、TNF-α和內(nèi)毒素等促炎介質(zhì)的顯著釋放，所有這些介質(zhì)都激活單核細胞，導致組織因子表面表達增強。因此，白細胞過濾器開始大量應用于CPB過程。白細胞濾器主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種依靠多孔泡沫去除白細胞，另一種依靠纖維結(jié)構(gòu)去除白細胞。前者主要依靠血細胞的變形能力來濾過白細胞，白細胞代謝越低，去除率越高。后者的工作原理主要是白細胞上活躍的細胞黏附部分與纖維的相互作用，因此白細胞代謝越低，去除率越低[12]。在CPB中使用白細胞過濾器的方式很多，如通過動脈通路、靜脈通路、吸引通路、機血回輸?shù)韧緩健６鋵颊叩念A后并沒有太大的影響，原因可能是過濾器面積小，無法過濾吸附大量白細胞；或者不能過濾活化的白細胞。目前，研制出了一種新的白細胞過濾器，能通過三層特制纖維結(jié)構(gòu)，選擇性地吸附被炎癥激活的中性粒細胞或單核細胞等，而減少對自然免疫細胞的濾過。白細胞過濾器能夠減少器官功能障礙和炎癥標記物有大量的證據(jù)證明，然而，對于使用白細胞過濾器的最佳策略仍沒有定論，目前在臨床上尚未成為一種常規(guī)預防、治療手段。

6 總 結(jié)

CPB炎癥反應是無法避免的問題，人們只能通過各種手段來盡可能減輕炎癥。總體來說，近年來CPB技術(shù)并未發(fā)生較大改變。主要的減輕炎癥的手段是通過改進設備材料、使用藥物來實現(xiàn)。然而很多方式，如改良超濾、白細胞濾過器等，有一定的去除炎癥因子的作用，但實際患者預后并沒有顯著優(yōu)勢。可能是由于疾病種類、手術(shù)方式、CPB過程中其他引起炎癥的因素的變化。針對體外循環(huán)管路材料與血液接觸和血-氣平的問題，開始使用微型CPB。它的管路路徑短，不包括吸引回收的血液，研究表明，微型CPB確實能減少中性粒細胞表面的CD162、CD166和CD195的表達[13]。其中CD162主要參與激活控制細胞骨架重排、基因轉(zhuǎn)錄和細胞因子產(chǎn)生的信號通路；CD166屬于細胞黏附分子，在炎癥、白細胞遷移、外滲、分化和增殖中起重要作用；CD195的作用在控制粒細胞系的增殖分化、細胞骨架重排、趨化細胞募集等方面。在CPB中除了與血液直接接觸的設備有很大的血液破壞風險，通過管道對血液進行作用的泵頭對血液和免疫有較大影響[14]。目前使用的人工泵主要有滾壓泵和離心泵兩種，前者由于對管道產(chǎn)生泵壓，長時間會產(chǎn)生溶血，同時會產(chǎn)生附壁微栓；后者通過渦流和離心力，與血液接觸少，血液破壞較少，但軸承處易產(chǎn)生血栓。血栓的產(chǎn)生會引發(fā)凝血功能異常，出現(xiàn)炎癥反應。CPB導致全身炎癥反應綜合征的發(fā)病機制有多種解釋。

在“二次打擊”學說中，CPB引起的缺血再灌注損傷，腸道細菌移位等均為炎癥反應的重要因素。因此，除了在設備方面考慮如何更符合生理條件，更應該考慮如何減少內(nèi)環(huán)境紊亂來控制炎癥反應。